基于有限元的机械臂架结构静动力学分析
发布时间：2021-11-16 06:54
在现代机械装备的设计中,通常采用有限单元法对结构进行优化和静动力学分析。本文针对两个横向课题工程实例的需求,即上肢康复机械臂的轻量化设计与大型仓储货架静动载荷作用的力学性能分析,针对结构模型的简化、单元类型的选择、约束形式的施加及等效载荷的作用等关键问题,进行了较为深入的分析与研究,并结合材料力学解析解的验证,得出了合理的计算分析结果。本文针对机械臂轻量化要求的具体分析,选择了拓扑优化分析方法,首先计算出结构质量最基本的空间分布,然后基于机械臂的工艺需求确定其具体的结构形式,在满足静动态强度和刚度的前提下,有效地减小了机械臂的质量和转动惯量,达到了轻量化设计的目的。本文所要分析的大型仓储货架的规模为2排×18列×7层,所形成的计算单元节点数达到6899076,其计算规模超出了实验室现有的计算能力,故本文充分利用了对称结构原理,对货架模型进行了合理简化,满足了现有算力的要求。针对仓储货架某一立柱突然断裂的动力学分析要求,本文通过对相关单元特性的分析研究,对突然断裂的立柱选择了生死单元法建立模型,其他立柱模型仍保持不变,有效地仿真了杆件的断裂,计算结果达到了课题需求方的要求。针对地震对仓储...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仓储货架实物模型
青岛大学硕士学位论文6通过对上肢康复机械臂进行有限元分析和拓扑优化设计，实现对上肢康复机械臂的轻量化设计，减小上肢康复机械臂的整体质量，改善上肢康复机械臂的力学性能，使其重心向转轴部分靠近，减小转动惯量，提高上肢康复机械臂的工作性能。1.3.2仓储货架的静动载分析仓储货架的静动载分析是与青岛德盛利智能装备股份有限公司的合作项目，要求对一种2排×18列×7层的立体库进行有限元分析，仓储货架的每个货位可以盛放3吨的货物，仓储货架的结构如图1.2所示。图1.2仓储货架实物模型将SolidWorks文件改为stp格式文件导入到HyperMesh中，在HypeMesh中建立仓储货架的有限元模型，就以下三种情况在ANSYS中对仓储货架进行静力学分析：分析当仓储货架在满载仅受重力影响时整个仓储货架的变形情况；进行瞬态动力学分析，分析当仓储货架的某根立柱发生断裂时，整个仓储货架的变形；进行地震反应谱分析，分析仓储货架在抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g时的抗震情况。
青岛大学硕士学位论文9表示在该单元处的结构材料比较重要，保留此区域的材料，单元密度为0的表示该单元处的结构材料不重要，可以删掉，从而实现结构的轻量化设计。2.1.4高级单元技术单元技术是有限元分析的核心技术，单元类型的正确选用决定了有限元分析结果的准确度。ANSYS中有广泛的单元类型可供选择，根据有限元分析的需要选取合适的单元类型，本文不将各种单元类型一一列举，只针对所选用的单元进行简单介绍，本文有限元模型中用到的单元类型有：SHELL181单元、MASS单元、BEAM188单元、SOLID185单元、CREIG刚性区域、CONTA173单元、TARGE170单元。SHELL181单元：SHELL181单元为4节点的四边形单元，可以用于分析薄到中厚的板壳类结构，SHELL181单元的每个节点有X、Y、Z三个方向平动自由度共和X、Y、Z三个方向的转动自由度。SHELL181提供了几种单元选项elementtypekeyopts，其中最重要的单元选项是设置单元积分选项keyopt（3）。ANSYS默认选项为keyopt（3）等于0，带沙漏控制的缩减积分，keyopt（3）等于2为完全积分，使用完全积分法时，限制条件少，网格精度高，所以SHELL181单元通常设置keyopt（3）等于2。MASS单元：MASS单元为质量单元，每个节点具有6个自由度，MASS单元不需要专门设置类型选项，采用默认设置keyopt（2）等于0，即初始单元坐标系和笛卡尔坐标系平行。BEAM188单元：BEAM188单元是梁单元，适用于分析细长到中等细长的梁结构，BEAM188单元只有两个节点I、J，每个节点具有6个自由度，其中K为方向节点，I节点到J节点方向为X方向，K定义梁单元的Y方向[47]，Z方向满足右手定则，如图2.1所示。图2.1BEAM188单元几何构型
【参考文献】：
期刊论文
[1]上肢康复机器人机构设计与分析[J]. 白颖,蒋庆斌,莫莉萍,孙超. 海南大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]康复机器人在脑卒中偏瘫康复中的应用研究进展[J]. 庞晨晨,李瑞玲,冯英璞. 护理研究. 2019(21)
[3]机械工程的可靠性优化设计分析[J]. 柏洪武. 河北农机. 2019(10)
[4]上肢康复机器人辅助治疗在脑卒中偏瘫患者上肢功能康复中的应用[J]. 杨等,刘文辉,王丛笑,汪杰,郄淑燕,彭彦平,王莹. 神经损伤与功能重建. 2019(09)
[5]机械制造工艺优化背景下机械设计策略选择[J]. 曹伟. 科学技术创新. 2019(27)
[6]机械结构优化设计应用与趋势研究[J]. 张荣宝. 设备管理与维修. 2019(18)
[7]有限元软件在结构力学教学改革中的应用分析[J]. 杜帅. 居舍. 2019(06)
[8]有限元软件在船舶结构力学课程教学中的应用[J]. 李丹,吕婧. 船舶职业教育. 2018(05)
[9]机械工程可靠性的优化设计阐述[J]. 杨堂志. 科技与创新. 2018(13)
[10]中央驱动式多自由度上肢康复训练机器人研究[J]. 黄小海,喻洪流,王金超,董祺,张林灵,孟巧玲,李素姣,王多琎. 生物医学工程学杂志. 2018(03)
博士论文
[1]大跨度T构—系杆拱组合体系桥静力及抗震性能研究[D]. 王德慧.大连理工大学 2018
[2]自动化仓储系统的设计与应用前景分析[D]. 郝晶晶.中国科学技术大学 2015
[3]有限单元法在骨科生物力学中的应用[D]. 张美超.第一军医大学 2002
硕士论文
[1]钢混组合梁桥力学性能与地震反应分析[D]. 刘若毅.郑州大学 2019
[2]某刚构—单肋系杆拱组合桥地震反应分析[D]. 谢燕生.华南理工大学 2018
[3]冷弯薄壁型钢货架结构地震反应修正系数研究[D]. 杨涛.东南大学 2017
[4]重载异构立体库货架强度分析研究[D]. 陈金.机械科学研究总院 2015
[5]某底架静动态特性及结构优化研究[D]. 刘俊松.武汉理工大学 2015
[6]大型仓储货架敏捷设计关键技术研究与应用[D]. 张鹏举.东华大学 2013
[7]大型仓储货架半刚性结构性能测试与优化[D]. 张洪涛.东华大学 2013
[8]现代红木椅凳类家具力学结构分析[D]. 张立.北京林业大学 2010
[9]半钢子午线轮胎的有限元模拟分析[D]. 王坚毅.青岛科技大学 2006
本文编号：3498373
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仓储货架实物模型
青岛大学硕士学位论文6通过对上肢康复机械臂进行有限元分析和拓扑优化设计，实现对上肢康复机械臂的轻量化设计，减小上肢康复机械臂的整体质量，改善上肢康复机械臂的力学性能，使其重心向转轴部分靠近，减小转动惯量，提高上肢康复机械臂的工作性能。1.3.2仓储货架的静动载分析仓储货架的静动载分析是与青岛德盛利智能装备股份有限公司的合作项目，要求对一种2排×18列×7层的立体库进行有限元分析，仓储货架的每个货位可以盛放3吨的货物，仓储货架的结构如图1.2所示。图1.2仓储货架实物模型将SolidWorks文件改为stp格式文件导入到HyperMesh中，在HypeMesh中建立仓储货架的有限元模型，就以下三种情况在ANSYS中对仓储货架进行静力学分析：分析当仓储货架在满载仅受重力影响时整个仓储货架的变形情况；进行瞬态动力学分析，分析当仓储货架的某根立柱发生断裂时，整个仓储货架的变形；进行地震反应谱分析，分析仓储货架在抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g时的抗震情况。
青岛大学硕士学位论文9表示在该单元处的结构材料比较重要，保留此区域的材料，单元密度为0的表示该单元处的结构材料不重要，可以删掉，从而实现结构的轻量化设计。2.1.4高级单元技术单元技术是有限元分析的核心技术，单元类型的正确选用决定了有限元分析结果的准确度。ANSYS中有广泛的单元类型可供选择，根据有限元分析的需要选取合适的单元类型，本文不将各种单元类型一一列举，只针对所选用的单元进行简单介绍，本文有限元模型中用到的单元类型有：SHELL181单元、MASS单元、BEAM188单元、SOLID185单元、CREIG刚性区域、CONTA173单元、TARGE170单元。SHELL181单元：SHELL181单元为4节点的四边形单元，可以用于分析薄到中厚的板壳类结构，SHELL181单元的每个节点有X、Y、Z三个方向平动自由度共和X、Y、Z三个方向的转动自由度。SHELL181提供了几种单元选项elementtypekeyopts，其中最重要的单元选项是设置单元积分选项keyopt（3）。ANSYS默认选项为keyopt（3）等于0，带沙漏控制的缩减积分，keyopt（3）等于2为完全积分，使用完全积分法时，限制条件少，网格精度高，所以SHELL181单元通常设置keyopt（3）等于2。MASS单元：MASS单元为质量单元，每个节点具有6个自由度，MASS单元不需要专门设置类型选项，采用默认设置keyopt（2）等于0，即初始单元坐标系和笛卡尔坐标系平行。BEAM188单元：BEAM188单元是梁单元，适用于分析细长到中等细长的梁结构，BEAM188单元只有两个节点I、J，每个节点具有6个自由度，其中K为方向节点，I节点到J节点方向为X方向，K定义梁单元的Y方向[47]，Z方向满足右手定则，如图2.1所示。图2.1BEAM188单元几何构型
【参考文献】：
期刊论文
[1]上肢康复机器人机构设计与分析[J]. 白颖,蒋庆斌,莫莉萍,孙超. 海南大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]康复机器人在脑卒中偏瘫康复中的应用研究进展[J]. 庞晨晨,李瑞玲,冯英璞. 护理研究. 2019(21)
[3]机械工程的可靠性优化设计分析[J]. 柏洪武. 河北农机. 2019(10)
[4]上肢康复机器人辅助治疗在脑卒中偏瘫患者上肢功能康复中的应用[J]. 杨等,刘文辉,王丛笑,汪杰,郄淑燕,彭彦平,王莹. 神经损伤与功能重建. 2019(09)
[5]机械制造工艺优化背景下机械设计策略选择[J]. 曹伟. 科学技术创新. 2019(27)
[6]机械结构优化设计应用与趋势研究[J]. 张荣宝. 设备管理与维修. 2019(18)
[7]有限元软件在结构力学教学改革中的应用分析[J]. 杜帅. 居舍. 2019(06)
[8]有限元软件在船舶结构力学课程教学中的应用[J]. 李丹,吕婧. 船舶职业教育. 2018(05)
[9]机械工程可靠性的优化设计阐述[J]. 杨堂志. 科技与创新. 2018(13)
[10]中央驱动式多自由度上肢康复训练机器人研究[J]. 黄小海,喻洪流,王金超,董祺,张林灵,孟巧玲,李素姣,王多琎. 生物医学工程学杂志. 2018(03)
博士论文
[1]大跨度T构—系杆拱组合体系桥静力及抗震性能研究[D]. 王德慧.大连理工大学 2018
[2]自动化仓储系统的设计与应用前景分析[D]. 郝晶晶.中国科学技术大学 2015
[3]有限单元法在骨科生物力学中的应用[D]. 张美超.第一军医大学 2002
硕士论文
[1]钢混组合梁桥力学性能与地震反应分析[D]. 刘若毅.郑州大学 2019
[2]某刚构—单肋系杆拱组合桥地震反应分析[D]. 谢燕生.华南理工大学 2018
[3]冷弯薄壁型钢货架结构地震反应修正系数研究[D]. 杨涛.东南大学 2017
[4]重载异构立体库货架强度分析研究[D]. 陈金.机械科学研究总院 2015
[5]某底架静动态特性及结构优化研究[D]. 刘俊松.武汉理工大学 2015
[6]大型仓储货架敏捷设计关键技术研究与应用[D]. 张鹏举.东华大学 2013
[7]大型仓储货架半刚性结构性能测试与优化[D]. 张洪涛.东华大学 2013
[8]现代红木椅凳类家具力学结构分析[D]. 张立.北京林业大学 2010
[9]半钢子午线轮胎的有限元模拟分析[D]. 王坚毅.青岛科技大学 2006
本文编号：3498373
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